帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)開課課件

帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)開課課件第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一提出問題沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場中做什么運(yùn)動(dòng)？V-第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一猜想與假設(shè)V-F洛V-F洛V-F洛V-F洛可能是圓周運(yùn)動(dòng)！第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)探究電子槍玻璃泡勵(lì)磁線圈第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)探究觀察現(xiàn)象：1、不加磁場時(shí)觀察電子束的徑跡。2、給勵(lì)磁線圈通電，在玻璃泡中產(chǎn)生沿兩線圈中心連線方向的磁場，觀察電子束的徑跡。第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一無磁場實(shí)驗(yàn)探究有磁場實(shí)驗(yàn)結(jié)論：1、可以看到，在沒有磁場作用時(shí)，電子的軌跡是直線。2、在管外加上垂直初速度方向的勻強(qiáng)磁場，電子的軌跡變彎曲成圓形。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)1、垂直射入勻強(qiáng)磁場的帶電粒子，它的初速度和所受洛倫茲力的方向都在跟磁場方向垂直的平面內(nèi)，沒有任何作用使粒子離開這個(gè)平面，所以粒子只能在這個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。2、由于洛侖茲力永遠(yuǎn)垂直于粒子的速度，對粒子不做功。它只改變粒子的運(yùn)動(dòng)方向，不改變其速度大小，因此粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)速率不變。3、由于粒子速度大小不變，所以粒子在勻強(qiáng)磁場中所受洛侖茲力的大小也不改變，加之洛侖茲力總是與速度方向垂直，正好起到了向心力的作用。所以沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。理論論證第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)探究觀察現(xiàn)象：3、保持出射電子的速度不變，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，觀察電子束徑跡的變化。4、保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，改變出射電子的速度，觀察電子束徑跡的變化。第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)結(jié)論：3、保持出射電子的速度不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，電子束徑跡的半徑越小。4、保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，出射電子的速度越大，電子束徑跡的半徑越大。第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)1、軌道半徑帶電粒子只受洛倫茲力，作圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力：解得：理論推導(dǎo)（沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。）第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。1、軌道半徑2、運(yùn)行周期（周期跟軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速率均無關(guān)）第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一例1、一個(gè)帶電粒子沿垂直于磁場的方向射入一個(gè)勻強(qiáng)磁場，粒子后段軌跡如圖所示，軌跡上的每一小段都可近似看成是圓弧.由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子的能量逐漸減少(帶電量不變).從圖中情況可以確定A.粒子從a到b，帶正電B.粒子從b到a，帶正電C.粒子從a到b，帶負(fù)電D.粒子從b到a，帶負(fù)電第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一帶電粒子在氣泡室運(yùn)動(dòng)徑跡的照片（1）不同帶電粒子的徑跡半徑為何不同？（2）同一徑跡上為什么曲率半徑越來越?。康?4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一同一磁場中不同帶電粒子的跡徑不同能否根據(jù)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡分辨比荷不同的粒子？質(zhì)譜儀:是一種分析同位素、測定帶電粒子比荷及測定帶電粒子質(zhì)量的重要工具。二、質(zhì)譜儀第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一例2：一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，其初速度幾乎為零，然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，最后打到照相底片D上。（1）求粒子進(jìn)入磁場時(shí)的速率。（2）求粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一可見半徑不同意味著比荷不同，意味著它們是不同的粒子（測粒子比荷或計(jì)算粒子的質(zhì)量）第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、回旋加速器要認(rèn)識原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開”進(jìn)行“觀察”。然而，原子核被強(qiáng)大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。產(chǎn)生高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器。第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、回旋加速器1.加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加，qU=Ek．2.直線加速器，多級加速如圖所示是多級加速裝置的原理圖：（一）直線加速器3.困難：技術(shù)上不能產(chǎn)生過高電壓；加速設(shè)備長。第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、回旋加速器（一）直線加速器（二）回旋加速器解決上述困難的一個(gè)途徑是把加速電場“卷起來”，用磁場控制軌跡，用電場進(jìn)行加速?；匦铀倨鞯暮诵牟糠质牵男谓饘俸?，兩Ｄ形盒之間留有窄縫，中心附近放置離子源(如質(zhì)子、氘核或粒子源等)。在兩Ｄ形盒間接上交流電源于是在縫隙里形成一個(gè)交變電場。Ｄ形盒裝在一個(gè)大的真空容器里，整個(gè)裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強(qiáng)大磁場中，這磁場的方向垂直于Ｄ形盒的底面。第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、回旋加速器原理：電場使粒子加速，磁場使粒子回旋?；匦芷冢?，與半徑、速度的大小無關(guān)。離盒時(shí)粒子的最大動(dòng)能：與加速電壓無關(guān)，由半徑?jīng)Q定。第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、回旋加速器回旋加速器的局限性（1）D形盒半徑不能無限增大（2）受相對論效應(yīng)制約，質(zhì)量隨速度而增大，周期T變化。第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一此加速器可將質(zhì)子和氘核加速到1MeV的能量，為此1939年勞倫斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1932年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的D型室.三、回旋加速器第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一四、霍爾效應(yīng)1879年霍耳發(fā)現(xiàn)，把一載流導(dǎo)體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。第27頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一四、霍爾效應(yīng)如圖，導(dǎo)電板高度為b厚度為d放在垂直于它的磁場B中。當(dāng)有電流I通過它時(shí)，由于磁場使導(dǎo)體內(nèi)移動(dòng)的電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在A、A’兩側(cè)分別聚集了正、負(fù)電荷，在導(dǎo)電板的A、A’兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢差U。設(shè)導(dǎo)電板內(nèi)運(yùn)動(dòng)電荷的平均定向速率為u，它們在磁場中受到的洛侖茲力為：當(dāng)導(dǎo)電板的A、A’兩側(cè)產(chǎn)生電勢差后，運(yùn)動(dòng)電荷會(huì)受到電場力：導(dǎo)電板內(nèi)電流的微觀表達(dá)式為：由以上各式解得：其中叫霍爾系數(shù)第28頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一例3、我國第21次南極科考隊(duì)在南極觀看到了美麗的極光。極光是由來自太陽的高能量帶電粒子流高速?zèng)_進(jìn)高空稀薄大氣層時(shí)，被地球磁場俘獲，從而改變原有運(yùn)動(dòng)方向，向兩極做螺旋運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。這些高能粒子在運(yùn)動(dòng)過程中與大氣分子或原子劇烈碰撞或摩擦從而激發(fā)大氣分子或原子，使其發(fā)出有一定特征的各種顏色的光。地磁場的存在，使多數(shù)宇宙粒子不能到達(dá)地面而向人煙稀少的兩極偏移，為地球生命的誕生和維持提供了天然的屏障?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)并證實(shí)，向兩